2021 Fiscal Year Annual Research Report
3次元バルクメタマテリアルが拓く極限屈折率材料と革新的テラヘルツ光学素子の創成
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21H04659
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
金森 義明 東北大学, 工学研究科, 教授 (10333858)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松原 正和 東北大学, 理学研究科, 准教授 (50450648)
岡谷 泰佑 東北大学, 工学研究科, 助教 (80881854)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 光デバイス / マイクロ・ナノデバイス / メタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
テラヘルツ領域では光学素子に利用可能な材料が乏しく、加工容易かつ幅広い屈折率特性を有する新規材料が求められている。本研究では、自由な形状に形成可能かつ任意の屈折率特性を有するテラヘルツ光学素子の実現を目指し、光共振器を内包した粉末状の新たな光学材料の加工・形成手法を確立する。樹脂製粉末の中に波長（数十～数百μm）よりも小さな金属製光共振器を埋め込むと、粉末全体としての実効的な屈折率は樹脂と光共振器の特性の掛け合わせとなる。特に、光共振器の設計次第では超高屈折率や負の屈折率等の極限屈折率材料を実現できる。誘電率・透磁率特性の異なる粉末状光学材料を液状樹脂に攪拌し、型を用いて凝固させることで、任意形状かつ光共振器の設計に応じた屈折率特性を持つ光学物質（3次元バルクメタマテリアル）が形成される。
本年度は、はじめに電磁場解析シミュレーションを用い、樹脂粉末状に光共振器が埋め込まれた構造に関して光学応答の予測を試みた。光共振器としてはAuで形成された分割リング共振器（SRR）を採用した。3次元バルクメタマテリアル内ではSRRを含んだ樹脂粉末がランダムに配向されることを鑑み、SRRの各方向における散乱パラメータの平均値を計算し、共振波長近傍で実効屈折率の変動が得られることを確認した。続いて、光共振器を含んだ樹脂粉末、及びそれらを凝固させた3次元バルクメタマテリアルの作製に取り組んだ。試作結果として最小で一辺100μmの立方体型の樹脂粉末内にSRRを形成することに成功した。また、それらを凝固した3次元バルクメタマテリアルを作製し、顕微鏡観察から樹脂バルク内にSRRがランダム配向していることを確認した。テラヘルツ時間領域分光法を用いた分光計測により得た実効屈折率はシミュレーションによる予測と概ね一致し、光共振器を埋め込むことで樹脂単体とは異なる特性を発現できることを実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、電磁場解析シミュレーションを用いた単一の光共振器を含む3次元バルクメタマテリアルの光学特性予測手法、及び光共振器を包含した樹脂粉末と3次元バルクメタマテリアルの作製手法を概ね確立することができた。また、本研究成果は雑誌論文として発表した。本年度で確立した技術は翌年度以降の研究の基盤となる有用な知見である。以上のことから、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
光共振器の構造としてSRR以外の構造についても検討し、作製を進める。また、複数種類の光共振器を含んだ3次元バルクメタマテリアルの光学応答の予測、及び実験による検証を行う。
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